PENGANTAR ELEKTRONIKA DAYA - staff.uny.ac.idstaff.uny.ac.id/sites/default/files/Materi Elektronika Daya.pdf · Sistem elektronika akan membahas tentang peralatan elektronika yang

Oleh :

Muhamad Ali, M.T

JURUSAN PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA TAHUN 2011

MODUL KULIAH

ELEKTRONIKA DAYA

”PENGANTAR ELEKTRONIKA DAYA”

MODUL KULIAH ELEKTRONIKA DAYA

Muhamad Ali, ST, MT

Materi ini dapat didownload via http://muhal.wordpress.com

1

BAB I

PENGANTAR ELEKTRONIKA DAYA

A. Pengantar

Elektronika Daya merupakan salah satu bidang ilmu yang mempelajari dan

membahas aplikasi elektronika yang berkaitan dengan peralatan listrik yang berdaya

cukup besar. Berbagai macam peralatan dan aplikasi nyata di industri yang

menggunakan sumber listrik memiliki kapasitas daya yang sangat besar seperti motor

listrik, pemanas, pendingin, fun, kompresor, pompa, conveyor dan aplikasi-aplikasi

lainnya. Elektronika daya mulai populer setelah berbagai pengaturan secara

konvensional kurang dapat memenuhi kebutuhan industri. Pengaturan berbagai aplikasi

di industri secara konvensional tidak efektif dan menimbulkan rugi-rugi yang cukup

besar sehingga diperlukan mekanisme pengaturan yang lebih baik. Salah satu pilihan

adalah dengan menggunakan perangkat elektronika.

Untuk dapat melakukan pengaturan berbagai macam peralatan di industri

diperlukan peralatan kontrol yang mampu beroperasi pada tegangan dan arus yang

cukup besar. Elektronika Daya memberikan solusi terhadap permasalahan di dunia

industri untuk dapat melakukan pengaturan peralatan-peralatan dengan menggunakan

rangkaian yang dapat bekerja dengan arus dan tegangan yang besar. Beberapa aplikasi

di industry bekerja pada arus yang mencapai ratusan bahkan ribuan amper dan tegangan

yang tinggi 220 V, 380 V, 600 V, 3,8 KV bahkan ada yang lebih tinggi lagi. Pengaturan

peralatan yang berdaya besar ini tidak mungkin dilakukan dengan rangkaian elektronika

yang berdaya kecil seperti peralatan rumah tangga yang arusnya kurang dari 5 Ampere

dan tegangannya kurang dari 60 V.

B. Ruang Lingkup

Bidang ilmu Elektronika Daya mencakup berbagai bidang ilmu yang mendasari

perkembangan ilmu ini. Beberapa bidang ilmu yang terkait dengan Elektronika daya

diantaranya adalah: 1) Elektronika, 2) Teori rangkaian, Sistem control,

Elektromagnetika, Mesin-mesin listrik, Sistem Tenaga Listrik, Komponen

semikonduktor dan computer. Secara lengkap, ruang lingkup materi bahasan

Elektronika Daya seperti pada gambar di bwah ini.


Muhamad Ali, ST, MT


2

Gambar 1. Ruang lingkup elektronika daya

1. Sistem Elektronika

Sistem elektronika merupakan dasar utama pada aplikasi elektronika daya.

Sistem elektronika akan membahas tentang peralatan elektronika yang terdiri dari

semikonduktor dan komponen lainnya dalam suatu rangkaian elektronika. Untuk

mempelejari elektronika daya diperlukan pemahaman terhadap materi rangkaian

elektronika baik analog maupun digital.

Gambar 2. Sistem Elektronika

2. Sistem Tenaga Listrik

Objek utama dalam apliksasi elektronika daya adalah peralatan dan sistem yang

memiliki daya (tegangan dan arus) listrik yang cukup besar. Oleh karena itu untuk lebih

memahami elektronika daya diperlukan pemahaman yang baik terhadap sistem tenaga

listrik.


Muhamad Ali, ST, MT


3

Gambar 3. Sistem konveyor yang digerakkan oleh listrik

3. Sistem Kontrol

Aplikasi elektronika daya pada umumnya untuk melakukan pengontrolan

aplikasi di industri. Oleh karena itu diperlukan pemahaman yang baik terhadap teknik

dan sistem kontrol berbagai peralatan yang digunakan di industri. Contoh pengaturan

yang paling sering ditemui adalah pengaturan kecepatan putar motor listrik, pengaturan

torsi motor listrik, pengaturan kecepatan aliran (flow) minyak, gas, pengaturan

temperature, pengaturan tekanan, pengaturan kecepatan conveyor, pengaturan gerakan

peralatan di industri dan pengaturan-pengaturan parameter lainnya.

Gambar 4. Contoh kontrol proses di industri

4. Sistem Komputer

Aplikasi industri sekarang ini kebanyakan sudah terintegrasi dengan sistem

komputer. Untuk melakukan pengaturan berbagai peralatan di industri dilakukan secara

remote dan hasilnya dapat dimonitor dengan tampilan yang terintegrasi dengan database

yang dioleh dalam komputer.


Muhamad Ali, ST, MT


4

Gambar 5. Sistem kontrol berbasis komputer

C. Definisi Elektronika Daya

Elektronika Daya (Power Electronics) didefinisikan sebagai sebuah aplikasi

elektronika yang menitikberatkan pada pengaturan peralatan listrik yang berdaya besar

dengan cara melakukan pengubahan parameter-parameter listrik (arus, tegangan, daya

listrik). Aplikasi elektronika disini dimaksudkan rangkaian yang menggunakan

peralatan elektronika terutama semikonduktor yang difungsikan sebagai saklar

(switching) untuk melakukan pengaturan dengan cara melakukan pengubahan tipe

sumber dari AC – AC, AC – DC, DC – DC dan DC – AC. Peralatan semikonduktor

yang digunakan adalah solid-state electronics untuk melakukan pengaturan yang lebih

efesien pada sistem yang mempunyai daya dan energy yang besar.

Aplikasi elektronika daya memiliki karakteristik sebagai berikut:

1. Aplikasi teknik kontrol untuk mendapatkan

2. Elektronika daya merupakan gabungan dari berbagai disiplin ilmu yaitu Teknik

Tenaga Listrik, Elektronika dan teknologi sistem kontrol.

3. Elektronika daya menggunakan komponen elektronika daya (solid-state) untuk

mengontrol dan mengkonversi tenaga listrik

4. Rangkaian elektronika daya terdiri dari input dan beban (load) .

5. Rangkaian elektronika daya dapat terdiri dari satu atau lebih converter untuk

melakukan perubahan parameter listrik.


Muhamad Ali, ST, MT


5

Secara umum, aplikasi elektronika daya dapat dijelaskan dengan diagram

skematik sebagai berikut:

Gambar 6. Sistem Elektronika Daya

D. Fungsi Peralatan Semikonduktor

Peralatan semikonduktor pada sistem elektronika daya mempunyai fungsi utama

sebagai berikut:

1. Switching

Fungsi utama semikonduktor pada aplikasi elektronika daya adalah sebagai saklar

atau switching. Proses switching merupakan dasar dari materi pada elektronika daya

sehingga perlu difahami dengan baik. Switching dilakukan secara elektronik dengan

kecepatan tinggi yang dapat diatur sesuai dengan kebutuhan.

Gambar 7. Switching dengan lebar pulsa 50 dan 12,5 %

2. Converting

Fungsi yang kedua dari peralatan semikonduktor elektronika daya adalah untuk

melakukan pengubahan atau converting dari tipe sumber. Konversi dapat dilakukan

dari AC ke DC, AC ke AC, DC ke DC maupun dari DC ke AC. Proses pengubahan


Muhamad Ali, ST, MT


6

besaran meliputi pengubahab bentuk gelombang arus, tegangan maupun besaran

lainnya.

Konversi DC

Konversi AC ke DC

- ~ Konversi DC ke AC

Konversi AC

- ~

Gambar 8. Konversi parameter listrik dalam elektronika daya

3. Controlling

Fungsi yang ketiga dari peralatan semikonduktor elektronika daya adalah untuk

melakukan pengaturan aplikasi elektronika industri sesuai dengan yang diinginkan.

Contoh pengaturan adalah pengaturan tegangan, pengaturan arus, pengaturan daya

listrik dan pengaturan besaran-besaran lainnya. Dengan melakukan pengaturan

besaran listrik akan berpengaruh pada sistem kerja pada sistem yang bekerja di

industri seperti kecepatan putaran, tekanan, suhu, kecepatan gerak, dan sistem kerja

lainnya.

Gambar 9. Pengaturan tegangan dengan pembagi tegangan resistor

Contoh ilustrasi penggunaan aplikasi elektronika daya secara sederhana adalah

pada pengaturan tegangan. Gambar di bawah ini merupakan rangkaian pembagi

tegangan yang digunakan untuk mengatur tegangan V2 sesuai dengan yang dibutuhkan.

Melalui pengaturan resistor variable (Potensiometer) kita bisa mendapatkan tegangan


Muhamad Ali, ST, MT


7

V2 sesuai kebutuhan. Cara pengaturan konvensional seperti ini memang sangat mudah

tetapi coba lihat rugi-rugi yang dihasilkan. Dengan menggunakan resistor maka akan

muncul panas yang besarnya berbanding dengan kuadrat arus (I) dan nilai resistornya.

Rugi-rugi panas = I2 . R Watt

Gambar 10. Pengaturan tegangan dengan switching

Metode pengaturan lain yang dapat digunakan adalah dengan menggunakan

switching (saklar) pada sisi sumber sehingga bisa diatur nilai tegangan keluaran dengan

mengatur duty cicle (siklus kerja) dari peralatan switching. Dengan metode seperti ini,

maka tegangan keluaran dapat diatur tanpa menimbulkan panas karena pada saat tidak

digunakan sumber dimatikan dan sumber akan dihidupkan jika dibutuhkan.

E. Aplikasi dan Contoh Penggunaan Elektronika Daya

Aplikasi rangkaian elektronika banyak digunakan untuk kepentingan peralatan

rumah tangga dan industri. Perangkat elektronika daya banyak digunakan pada

peralatan konversi daya listrik yang besar seperti : saluran transmisi daya listrik,

jaringan distribusi daya listrik, pengaturan motor listrik secara elektronis di industri,

pengatur pemanas air, pengubah daya listrik AC menjadi DC, DC menjadi DC, DC

menjadi AC untuk kepentingan pengaturan peralatan di industri, charger baterai pada

peralatan industri, dan lain sebagainya.

Dalam kehidupan sehari-hari aplikasi elektronika daya dapat dilihat pada UPS

(Uninterabable Power Supply), inverter, catu daya untuk laptop, notebook dan

komputer, pengatur tingkat keterangan lampu, peredup lampu (dimmer), pengatur

pemanas, pengatur cahaya, ballast elektronik pada lampu neon, relai-relai elektronik,

pemutus tenaga, sistem elektronis dalam mobil dan wahana ruang angkasa. Selain itu


Muhamad Ali, ST, MT


8

aplikasi elektronika daya juga banyak digunakan diindustri untuk pengaturan berbagai

peralatan industri seperti pengaturan kecepatan putar motor listrik, pengatur kecepatan

putar penggerak konveyor, pengatur kecepatan gerak lift, pengatur kecepatan gerak

eskalator dengan beban yang berubah-ubah, pengaturan kecepatan aliran fluida gas dan

minyak, pengaturan tekanan pada mesin pompa, blower, pengaturan kipas dan lain

sebagainya.

Documents

PENGANTAR ELEKTRONIKA DAYA - staff.uny.ac.idstaff.uny.ac.id/sites/default/files/Materi Elektronika Daya.pdf · Sistem elektronika akan membahas tentang peralatan elektronika yang